爆炸焊接的应用和发展

系，对这一现象许多学者提出了不同的机理和模型。Ａｂｒａｈ锄一
ｓｏｎ等提出了覆板流侵彻机理，但这种理论不能解释旋涡区的 形成以及波形参数与旋涡区之间的关系。Ｈｕｎｔ Ｊ Ｎ提出了赫尔 姆霍尔茨不稳定机理，认为波的形成是由于流体中的赫尔姆霍
尔茨不稳定性，后来，Ｒｏｂｉｎｓｏｎ Ｊ Ｌ又通过计算证明了赫尔姆霍
者今后的努力方向。
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２．２爆炸焊接的试验及应用研究
爆炸焊接的试验及应用研究是爆炸焊接研究内容的一个重 要组成部分，对于完善和丰富爆炸焊接理论及获得性能优良的 复合材料具有重要意义。
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万方数据
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长期以来，对爆炸焊接机理的研究一直是建立在试验分析 基础之上的。近年来，许多学者提出了很多有价值的研究成果， 例如许多学者通过对界面过渡层的研究，认为爆炸焊接的界面 结合综合了压力焊、熔化焊和扩散焊的特点［２’１ ６｜。刘玉存等通 过金相显微镜、电镜扫描、电镜透射等检测手段研究了Ａ３钢与 黄铜的爆炸焊接机理，认为金属在受到高速碰撞发生塑性变形
Ａｂｓｔｍｃｔ
Ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ
ｔｏ
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ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂａｓｅｄ
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ｔｈｅ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｐｒｅｖｅｎｉｅｎｔ
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ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌ ｄ．Ａ ｂｒｉｅｆ ｒｅｖｉｅｗ ｉｓ ｇｉｖｅｎ
由此可见，爆炸焊接是一个非常复杂的过程，它综合了熔化 焊、压力焊与扩散焊的特点，与其他连接方法相比具有显著的优
点‘１～…。
王建民：男，１９７９年生，博士研究生，主要从事爆炸焊接理论与技术的研究
万方数据
爆炸焊接的应用与发展／王建民等
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的考虑，因此在公式的使用上有一定的盲目性。为了能够定量 描述覆板的运动过程和运动姿态，许多学者用二维的简化公式 描述覆板的运动规律。二维公式不仅给出了覆板偏转角和飞行 速度的关系，而且也给出了爆速、炸药密度和多方指数对覆板运 动的影响。显然，二维公式较Ｇｒｕｎｅｙ的半经验公式和一维平板 运动公式更能揭示覆板的运动规律。 ‘爆炸焊接中的另一理论问题是界面波的形成机理。一般认 为爆炸焊接中界面的周期性波动与金属板的复合质量有直接关
尔茨失稳性［９］。这种理论要求界面上要存在射流，然而它不能 解释对称碰撞时出现的界面波。Ｃｍｗｎ
Ｇ
Ｒ等提出了卡门涡脱
落机理，认为液流在越过撞击点流动时，撞击接触点就像一个固 态障碍物一样，因此在撞击后出现了涡街口…。但该理论不能解 释在既无焊接又无射流时波的形成，也没指出障碍物是什么和 怎样形成的，没说明液流的来源及为什么流动。ＧＤｄｕｎｏｖ ｓ Ｋ 等则提出了应力波机理，这种机理完全不同于以上３种机理，认 为波的形成不一定要产生射流，而把波的形成归因于应力波的 作用。印度学者Ｐａｔｗａｒｔｈａｎ Ｗ Ｄ提出了波形形成的另一种模
炸焊接技术也用在了非晶态合金的研制中［３４’３
虽然爆炸焊接的应用研究发展迅速，但在某些方面却仍存 在不足，特别是对爆炸焊接产品及其后序加工工艺的研究明显 不足，例如爆炸焊接复合板的残余应力、残余变形即爆炸硬化以 及爆炸复合板的热处理工艺等。此外，爆炸焊接的机械化、自动 化也是一项值得研究的课题。爆炸焊接体力劳动强度大，产生的 粉尘、噪音等污染也严重威胁着技术人员的身体健康；同时，人们 对炸药往往存在一定的恐惧感。因此实现爆炸焊接生产过程的 机械化和自动化尤为重要，但目前这方面的研究却明显不足。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＥｘｐｌｏｓｉＶｅ
Ｗｅｌｄｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｍｉｎ，ＺＨＵ
Ｘｉ，ＬＩＵ Ｒｕｎｑｕａｎ
４３００３３）

（Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇ．，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅ“ｎｇ，Ｗｕｈａｎ
２爆炸焊接的研究现状
２．１
型，认为在碰撞区内由于高温高压会产生一个塑性流体性质的 层，在组合金属系统内，碰撞也会产生强烈的横向振动，该振动 “以波的形式存在于塑性流体区域内。此外，我国学者郑哲敏教 授认为爆炸焊接波状界面的形成机理应该属于流体弹塑性模型 中的稳定性问题，提出热塑失稳与波状界面失稳并存的观点。 当碰撞压力小时，爆炸焊接形成的是平直界面；随着覆板流速度 和碰撞角的增大，界面上将会出现２种失稳形态，形成波状结合 界面［１“。值得一提的是，郑远谋认为波形成的流体力学理论不 能成立，爆炸焊接结合区波形成的机理只能从金属物理学的观 点出发去探讨。他认为波的形成是由于爆炸反应是以波的形式 进行的，爆炸载荷是以波的形式向前传播并作用在覆板上，从而 使覆板产生波状塑性变形［２’１２￣１…。需要强调的是用流体力学理 论只能解释界面波的形成机理，不能解释为表面波的产生。 爆炸焊接过程是一个十分复杂的过程，尽管人们建立各种
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材料导报
２００６年１月第２０卷第１期
５。。
和扩散中会发生熔解和化合，金属的爆炸焊接综合了熔化焊、压 力焊、扩散焊以及射流的特点［１“。赵浩峰等认为爆炸复合界面 存在熔化区，并且熔化区的形成是由于碰撞时被截断的射流构 成的［１ ８｜。郑远谋认为金属的爆炸焊接是焊接方法的一种，也是 一种冶金过程，这个过程也就存在扩散［２］。文献［１９］报道在铝一
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１爆炸焊接的基本理论及特点
爆炸焊接是利用炸药爆炸瞬间产生的巨大能量作为能源使 金属产生塑性变形、熔化，并达到原子间结合的一种崭新焊接技 术。它是一门介于爆炸物理学、金属物理学、焊接学之间的边缘
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图１爆炸焊接装置示意图
爆炸焊接的理论研究
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Ⅵ（１＋襄Ｒ）１／ｚ＋１
模型试图描述爆炸焊接中波的形成机理，但这些机理只能解释 某些界面波的形成机理，都存在自身无法解释的现象。至今有 关爆炸焊接界面波的形成机理还不清楚，仍是一项值得研究的 课题。此外，虽然人们对爆炸焊接的界面波形成机理、覆板飞行 速度等进行了大量的研究，但迄今为止，尚未有人从材料热力学 和动力学上对爆炸焊接进行深入的理论研究，这也应当是研究
学科，其基本原理是依靠爆炸产生的冲击和摩擦作用把待焊金属 表面的氧化膜破碎并清除，使新鲜的金属表面裸露，利用爆炸产 生的高压脉冲载荷推动２种或多种金属高速撞击而焊接在一起。 在工程应用中，常采用平行法与角度法２种方式进行爆炸 焊接（见图１）。当炸药一端被引爆后，爆炸产物形成高压脉冲 载荷，直接作用在覆板上，覆板在几微秒内被加速到几百米每 秒。它从起始端开始依次与基板碰撞，当两金属板以一定角度 相撞时会产生很大的碰撞压力，这种压力大大超过金属的动态 屈服极限，因而碰撞区产生高速度的塑性变形，同时伴随着热效 应。此时碰撞面的性质类似于流体，这样在两金属板的内表面 将形成两股运动方向相反的金属射流，一股是碰撞点前的自由 射流向未结合的空间高速喷出，冲刷金属表面的表面膜，使金属 露出新鲜的清洁表面，为２种金属的结合提供了条件；另一股是 在碰撞点后的凸角射流，它被凝固在两金属板之间形成两金属 的冶金结合。
ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｊｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｕｃｈ
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ｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｒｎｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ’ｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｅｌｄｉｎｇ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
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材料导报
２００６年１月第２０卷第１期
爆炸焊接的应用与发展
王建民，朱锡，刘润泉
（海军工程大学船舶与海洋工程系，武汉４３００３３）
摘要 在对爆炸焊接领域已有成果研究和总结的基础上，论述了爆炸焊接的基本理论和特点，阐述了近年来国 内外爆炸焊接在理论分析、数值模拟和实践应用等方面的研究现状，最后指出了爆炸焊接技术在未来的应用前景和发 展方向。 关键词 爆炸焊接复合板研究现状应用与发展 中图分类号：ＴＧ４５６．６
铜的爆炸复合材料中铝向铜或铜向铝的扩散距离均为１００ｍ。
而胡兰青等则认为界面合金元素成分分布的变化不是由扩散形 成，而是由基、覆板成分在其表面形成的混合射流所致［２…。有
的观点认为爆炸焊接过程中不存在熔化或扩散，如Ｄｏｒｒ锄通
过研究Ｃｕ－ｃｕ的爆炸复合认为爆炸复合界面不存在熔化区［２１｜。 史长根等在分析了１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ＿Ａ３界面的显微特点后也认为爆 炸焊接是一种特殊的压力焊，界面之间元素的扩散是由于高压 产生的结果，界面熔化产生的缝隙和空洞物削弱了界面的结合 强度，因此，在爆炸焊接过程中应尽量消除熔化的影响［２ ２Ｉ。但 这种观点忽略了熔化区的形成也会促进原子间的相互扩散从而 有利于金属间结合的一面。
综合上述试验研究可看出形成过渡层主要有以下原因：（１）
２．３爆炸焊接的数值模拟研究
随着计算机在爆炸焊接研究领域中的应用，其作用也日益 突出。用计算机模拟爆炸焊接过程可以有效地降低试验次数， 节省人力、物力、财力。此外，爆炸焊接参数复杂，影响因素众 多，用计算机辅助确定爆炸焊接参数可大大降低其复杂程度。 Ａｋｉｈｉｓａ等用二维有限微分方法模拟了爆炸焊接过程中波状界 面的产生机理，并对波状界面的涡流参数值进行了定量分析，认 为剪力流和周期性波动是产生波状界面的重要因素，得出波状 界面的波高和波长比与涡流状区域中心的纵间距和横间距比分 别接近于常数ｏ．３和ｏ．２２的结论［３６．３７］。文献［３８，３９］利用威廉 斯堡状态方程与ＡＵＴｏＤＹＮ软件结合模拟了爆炸焊接的全过 程，分析了爆炸焊接过程中的压力分布、速度分布、剪切应力分 布和塑性应变分布，并模拟了爆炸焊接射流的形成。这种方法 克服了以往只能模拟高爆速炸药的限制。有文献采用间隙元法 对圆管爆炸焊接中的粘、塑性接触问题进行了处理，并对爆炸焊 接全过程进行了详细的分析［４…。陈健美等在机械振动理论的 基础上建立了钢坯爆炸焊接的解析计算模型，通过此模型获得 了爆炸加工的动态响应特性［４“。高勇军等利用计算机辅助设 计对爆炸焊接的参数进行了计算，通过计算绘制了不锈钢与普 通钢的爆炸焊接的可焊性窗口［４引。王宇新等根据列契特公式 应用计算机编程，给出了覆板在炸药滑移爆轰波作用下的飞行 姿态仿真曲线，并利用该程序辅助选取了较为合适的爆炸焊接 参数［４…。文献［４４］用热传导理论给出了双金属结合区附近的 温度场解析，并利用解析结果确定了双金属的爆炸焊接上限。 Ｇｒｉｇｎｏｎ等用二维有限元法模拟了不同焊接参数下６０６１铝合 金的爆炸复合过程，通过试验模拟获得了直接结合界面的爆炸